Tratto da "Aviazione Sportiva", aprile 2007:
L’ALA GONFIABILE
Apparentemente, la struttura a cassoni di un’ala floscia gonfiata (ram-air come dicono gli anglosassoni) è quanto di più semplice possa esistere in aeronautica. Non a caso ho detto “apparentemente”, in quanto in realtà, ottenere un oggetto sufficientemente coerente, con discreta efficienza aerodinamica, opportuna manovrabilità, gamma di velocità e ragionevole sicurezza anche in turbolenza, manipolando solo tessuto e cordini, non è affatto facile. L’evoluzione dalle prime vele rettangolari derivate dai paracadute da lancio è stata così ampia da essere paragonabile a quella che ha portato dalle prime ali Rogallo ai moderni deltaplani.
I progettisti hanno lavorato su profili, forma in pianta, campanatura, ripartizione dei carichi e delle tensioni ed ottimizzazione del fascio funicolare per raggiungere standard di volo sempre più elevati. Oggigiorno le ali gonfiabili volano in maniera egregia, e sebbene le prestazioni siano e saranno sempre distanti da quelle delle ali rigide o flessibili, si può dire però che le sensazioni di volo di queste aeronavi siano oramai quelle di un mezzo che vola “sul serio”, e non più quelle di un informe materassone che frena la discesa.
I profili utilizzati sono del tipo biconvesso asimmetrico, di buon spessore, a volte autostabili con linea mediana a reflex, ma più spesso tradizionali. Il punto di massimo spessore però è molto più avanzato di quello che normalmente si usa in altri velivoli. In volo vengono modificati dai comandi per creare le forze necessarie alle varie manovre, ed anche dai vari sistemi di trimmaggio ed accelerazione. Queste deformazioni su una struttura elastica, come intuibile, sono complicate da prevedere con esattezza a livello teorico e matematico.
Le centine che determinano la sezione alare uniscono estradosso ed intradosso e delimitano le pareti della cella. Accademicamente, si definisce cassone la porzione di ala tra due centine principali, dove si attaccano i cordini. Ogni cassone può avere una o più infracentine ed essere costituito quindi da due o più celle. Spesso però si parla di cassone intendendo proprio la singola cella. Il numero delle celle (o il numero dei cassoni) varia da una trentina ad una ottantina, a seconda del tipo di ala. All’interno dei cassoni spesso sono cucite triangolazioni diagonali in tessuto, a volte intere centine inclinate, che meglio scaricano le tensioni tra intradosso ed estradosso, e fettucce e nastri orizzontali o variamente disposti che ripartiscono al meglio i carichi e contribuiscono alla coesione della struttura gonfiata. Per garantire una pressione uniforme all’interno dell’ala, le centine sono sempre “bucate”, questi buchi si chiamano cross-port.
Le aperture sul bordo d’attacco invece (bocche dei cassoni) permettono all’aria di entrare in fase di gonfiaggio e soprattutto assicurano una congrua pressione statica interna alla vela, durante il volo. L’aria impatta queste aperture e crea pressione all’interno della doppia vela (il bordo di fuga è chiuso). Il parapendio però non resta gonfio se non vola entro un certo campo di incidenze, comprese tra una minima e una massima, abbastanza limitato rispetto agli altri mezzi volanti. E’ importante quindi che le bocche siano situate nella zona in cui insiste la maggiore pressione statica nel campo di incidenze che ci interessano. Questa zona è situata nella parte anteriore dell'intradosso, poco sotto il naso del profilo.
Il concetto di pressione e tensione è particolarmente importante in un’ala floscia. E’ chiaro infatti che una costruzione di tessuto gonfiato, non è coerente e stabile di per sè, bensì è un oggetto flessibile che “respira”, si muove e si modifica in funzione dei carichi e delle condizioni di volo. La sagoma dell’ala che determina il campo aerodinamico è a sua volta condizionata dalle forze aerodinamiche. La forma reale che ne deriverà non è quella determinata sulla carta dalle centine e dagli altri pannelli cuciti, ma un elaborato equilibrio di tensioni e rigonfiamenti, pressioni e depressioni, molto complesso da prevedere, il quale addirittura si modifica durante le varie manovre. Ancor più di quanto avviene con il deltaplano il quale, per lo meno, può contare su di una struttura rigida o semirigida di supporto per le velature. Solo pochi anni fa sono stati sviluppati per i calcolatori programmi di software in grado di elaborare e determinare forma e tensioni della struttura gonfiata così come realmente sarà in volo, e con ragionevole approssimazione prevederne i comportamenti aerodinamici. Grazie a ciò si può, già in fase progettuale, ottimizzare ogni aspetto di tensionatura dei pannelli, forma, assetto, ripartizione dei carichi, mentre prima si procedeva in modo più empirico. Il risultato si nota già dal punto di vista estetico: le vele sono sempre più pulite e tese, compatte; volano in maniera sempre più incisiva ed efficace. Sopportano carichi alari relativamente elevati senza perdere in efficienza. In definitiva sono belle da vedere e da volare.
I tessuti utilizzati devono essere il più leggeri possibile per agevolare il decollo ed avere meno inerzia in volo, ma al tempo stesso devono assicurare una certa durata. Si usano tessuti rip-stop di circa 40 g/mq, ottimizzati proprio per questo uso, a volte di tipo diverso a seconda delle varie parti dell’ala; sul bordo d’attacco si utilizza pure qualche piccolo rinforzo in mylar o dacron di grammatura superiore. I cordini sono in fibre aramidiche (kevlar) o dyneema, di solito protetti da una calza in nylon, e vengono utilizzati in diametri differenti. Questi cordini devono essere il più possibile rigidi ed inestensibili, per garantire il corretto assetto della vela in tutte le manovre e stabile nel tempo. Il fascio funicolare converge nelle bretelle, che altro non sono se non fettucce in nylon ad alta resistenza che organizzano i cordini in file sui due lati del pilota; avremo così le bretelle di destra e di sinistra, ciascuna con tre o quattro elevatori: le file “A”, “B”, “C” e “D”. La fila “A” è quella che interessa la parte anteriore del profilo, poco sotto le bocche; la fila “B” è quella che si trova al 25% circa della corda alare e così via fino al bordo d’uscita, che invece è interessato dalla raggiera dei freni, una diramazione del fascio un po’ particolare.
I cordini dei freni passano attraverso due carrucole e sono forniti di maniglie, che sono impugnate durante il volo e costituiscono i comandi principali a disposizione del pilota. Trazionando i freni si modifica la curvatura del bordo d’uscita, un po’ come avviene con i flap degli aerei. In questo modo, si può aumentare l’incidenza per rallentare e controllare il beccheggio. Usati invece in maniera asimmetrica, servono per impostare le virate. Contrariamente a quanto avviene negli aerei però, l’ala vira dalla parte del freno che si abbassa. Vale a dire: se traziono il comando di destra, rollo a destra, mentre in un aereo il rollio sarebbe a sinistra abbassando l’alettone destro. Questo è dovuto ad un fattore molto importante: la campanatura della vela. La caratteristica forma a mezzaluna dei paramotore infatti, con diedro negativo, serve a stabilizzare il velivolo in imbardata e a creare tensione reciproca nell’arco della vela stabilizzandone la struttura, ma serve anche a rendere possibili le virate. Infatti aumentando la portanza della semiala destra, questa “tirerà” verso destra la calotta, in virtù della risultante aerodinamica che trasla di lato. Questo, congiuntamente alla notevole distanza tra baricentro e centro di pressione, induce una virata, come esemplificato in figura 1.
Sfruttando ancora una volta una caratteristica unica delle ali “ram-air”, è possibile modificare il profilo per raggiungere certi scopi. I freni stessi, come abbiamo visto, aumentano la curvatura lungo il bordo d’uscita, “flappandolo”. La loro azione tuttavia si esplica solamente lungo il bordo di fuga, e solamente a cabrare. Se vogliamo diminuire l’incidenza (entro certi limiti, ovviamente), che strumenti abbiamo a disposizione? Sono due: i trim e l’acceleratore (o speed-system).
I trim sono un sistema di regolazione il quale, tramite una fibbia metallica che scorre sulla bretella posteriore, allunga o accorcia le file “C” e “D”. In questo modo si ottiene una modifica del camber nella parte posteriore del profilo, che si appiattisce o addirittura assume un andamento negativo (vedi figura 2).
Con questo stratagemma si ha una migliore penetrazione che, a fronte di una richiesta di potenza leggermente superiore consente di viaggiare un poco più veloci e, ad esempio, ottimizzare le transizioni controvento. Lo svantaggio è una maggiore sensibilità della calotta alle turbolenze; tuttavia con l’utilizzo, introdotto relativamente di recente, dei profili autostabili, la stabilità non ne risente, anzi. Questi profili presentano solamente l’inconveniente di un tasso di caduta leggermente superiore a parità di altre caratteristiche e reazioni più vivaci nelle configurazioni inusuali.
I trim si utilizzano anche in modo asimmetrico per contrastare la coppia torcente indotta dall’elica, che a volte tende a far deviare leggermente dalla traiettoria.
L’acceleratore dal canto suo provoca invece una diminuzione dell’incidenza su tutto il profilo. Si aziona con una pedalina, da spingere con i piedi allungando le gambe, e con un articolato sistema di carrucole e rinvii accorcia proporzionalmente le file anteriori in modo da picchiare l’ala di qualche grado mantenendo pressochè inalterato l’andamento della sezione alare o contemporaneamente modificando l’inarcamento, secondo le scelte del progettista. Solitamente è studiato in modo da lavorare maggiormente nella parte centrale e di meno alle estremità dove la corda è inferiore. Si ottiene così un risultato simile a quello del rilascio dei trim, ma più incisivo, e la possibilità di rilasciare immediatamente il tutto se necessario, ad esempio incontrando turbolenza. La velocità massima è raggiungibile quindi premendo a fondo la pedalina con i trim laschi, ma è raramente utilizzata, sia per la delicatezza dell’assetto così raggiunto, il quale si avvicina a quello minimo nel campo di incidenze volabili, sia perchè si vola in un arco della polare in cui l’efficienza peggiora considerevolmente.
Anche in questo frangente i profili autostabili con coefficiente di momento positivo (tipo deltaplano) migliorano la stabilità e la sfruttabilità della gamma di velocità, ed in teoria sono anche più facili da usare (richiedono meno interventi del pilota), ma necessitano di una tecnica di pilotaggio diversa e forse meno istintiva. Occorre imparare ad usarli quindi, e non tutti gradiscono la richiesta di potenza che li caratterizza.
Di per sè, il paramotore non avrebbe bisogno di un profilo autostabile per volare, in quanto la stabilità in beccheggio (ma anche in rollio) è garantita semplicemente dall’effetto pendolo. Volato in condizioni aerologiche tranquille, alla sua velocità di trim, si può infatti dire che il parapendio motorizzato voli assolutamente da solo. E’ forse l’unico mezzo volante che, lasciato a sè stesso, procede su una traiettoria rettilinea stabilizzata senza (e a volte anche meglio!) interventi del pilota. Addirittura lasciando i comandi da un assetto scomposto torna autonomamente, dopo poche oscillazioni, in volo livellato. Il profilo austostabile garantisce però una elevata stabilità a trim rilasciati in quanto il centro di pressione, e il baricentro, sono molto avanzati, e nei movimenti dovuti alla turbolenza l’ala recupera da sola l’incidenza giusta.
Il fatto che il baricentro sia così lontano dal centro di pressione, e che quindi il velivolo presenti una forte stabilità intrinseca, presenta anche alcuni inconvenienti. In turbolenza sostenuta infatti, le oscillazioni di questo enorme pendolo possono accumulare una tale energia da divenire praticamente ingestibili. Ancora una volta però, ci viene in aiuto il tipo di costruzione flessibile delle ali per paramotore, che in casi estremi può smorzare l’eccessiva energia in gioco semplicemente sgonfiandosi. Quello che può sembrare un difetto - la parziale perdita di pressione e collasso di parti della struttura, quindi tutto ciò che rientra nelle cosiddette “configurazioni inusuali” - è invece una condizione necessaria, un rimedio estremo ad una situazione estrema nella quale non avreste dovuto trovarvi...
A volte addirittura si sfrutta questa caratteristica chiudendo volutamente una o entrambe le estremità (le cosiddette orecchie) per aumentare il tasso di caduta o la stabilità in turbolenza (aumenta il carico alare e diminuisce l’allungamento).
Naturalmente le ali devono essere progettate in modo da rigonfiarsi subito, senza perdere molta quota e senza deviare eccessivamente dalla traiettoria, ma questo dipende dal tipo di ala. Per questo in sede di certificazione, le ali sono sempre suddivise in classi, in modo da avere una indicazione piuttosto precisa in merito a quale tipo di vela ci troviamo di fronte (e quale tipo di pilota ci vuole per controllarla!). Queste vele comunque sono nate in origine per il volo in termica ed in montagna con condizioni a volte molto severe, e la stabilità e la sicurezza in turbolenza che hanno raggiunto è veramente notevole, anche se ovviamente non bisogna chiedere troppo. Applicando questo “know-how” alle vele da paramotore, maggiormente caricate e volate in condizioni moderate (non c’è motivo per fare altrimenti), si raggiungono standard di sicurezza assoluti.
Il paramotore si pilota, come abbiamo visto, principalmente con i due comandi dei freni e, a seconda dei telai, con lo spostamento del peso. Per impostare una virata, ad esempio a sinistra, si porterà il peso a sinistra e, dalla velocità di trim (freni alti), si abbasserà un poco, senza esagerare, il comando di sinistra. L’escursione del comando necessaria dipende dal tipo di vela impiegata, dalla taglia e dal carico alare nonchè, ovviamente, dal raggio di virata desiderato. Il mezzo si inclinerà progressivamente di una certa misura, corrispondente alla quantità di freno applicato, e virerà fintanto che il pilota non centralizzerà di nuovo i comandi.
Tutto qui. L’ala vola sempre e comunque alla velocità ed incidenza per la quale è stata progettata, e sulla quale possiamo intervenire rallentando (frenando) o accelerando (rilasciando i trim o spingendo la pedalina), entro certi limiti e in certe occasioni. Il motore serve solo per sostenere la quota e, se necessario, salire. Dando potenza appunto si sale, calando i giri si scende. A motore spento l’ala plana dolcemente e rimane perfettamente manovrabile, anzi di solito la maneggevolezza migliora. La presa di terreno, frenando a fondo, avviene praticamente da fermi o con un paio di passi di corsa, a seconda del vento presente in atterraggio e del tipo di ala. E’ sufficiente disporsi controvento, lasciare scendere il velivolo alla sua velocità di trim e raccordare vicino al suolo, per poi fermare la vela con un affondo dei comandi. Non c’è un asse pista da mantenere, e per loro natura questo tipo di ali sono molto stabili in imbardata e rollio e rimangono ferme sulla traiettoria. E’ quindi una operazione relativamente semplice ed istintiva, alla portata di un allievo ai primi voli e, contrariamente agli altri mezzi volanti, la parte più difficile è il decollo, non l’atterraggio.
Con un po’ di pratica si atterra ovunque, se necessario anche in un orto! Come intuibile, il grosso vantaggio è proprio il fatto che non serva una pista per operare, e nemmeno una superficie piana e livellata. Si può decollare ed atterrare senza particolari problemi in pendio, su sabbia, neve, terreno sconnesso o franoso.
La prossima volta ci occuperemo dell’altra faccia della medaglia, ovvero di telai e motori, per completare il quadro di introduzione ai materiali. Per quanto il paramotore in sè stesso sia - di solito - l’argomento che maggiormente appassiona i piloti, ci tengo a sottolineare come, in effetti, sia l’ala a volare, e a determinare per l’80% caratteristiche, prestazioni e sicurezza del velivolo, e non il contrario.
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